全球量子计算未来委员会：常见问题

全球未来量子计算委员会经常问的问题2020 年 6 月是什么让量子计算机特别？1920 年代和 1930 年代，世界著名物理学家阿尔伯特·爱因斯坦、尼尔斯·玻尔、维尔纳·海森堡、欧文·薛定谔等人在量子物理理论的发展方面取得了长足的进步。特别是，他们发现了量子物理学中的新现象，包括叠加、纠缠和隧道效应，这些都在量子计算中得到了利用。重要的是要注意，叠加和纠缠的原理在当前的经典计算机中并未以任何方式使用。隧道在闪存中的使用方式有限，但这是一个相对较新的现象。许多经典计算——半导体理论的某些部分是例外——是基于最初在 19 世纪发现的基本数学和物理发现，例如布尔逻辑、欧姆定律、麦克斯韦方程等。使用这些新的物理量子现象为研究人员提供了额外的工具，可以用来创建新的计算机算法，比经典方法更有效地解决某些问题。经典计算已经成功，但它使用数字 1 和 0 来表示物理世界中的符号，这本质上是模拟的。量子计算机使用量子力学原理来模拟量子过程。 1982 年，物理学家理查德·费曼（Richard Feynman）发表了以下陈述，这也许说得最好：“自然不是经典的，该死的，如果你想模拟自然，你最好让它成为量子力学，天哪，它是一个很好的问题，因为它看起来并不那么容易。”什么是量子比特？量子计算机将信息存储在称为量子位的东西中，它代表量子位。这些是物理的存储信息的结构，如经典计算机位，但利用叠加和纠缠现象。与经典位不同，它在任何时候都处于 0 或 1 状态有一次，一个量子比特可以处于叠加态，叠加态可以同时处于0或1态的线性组合。此外，量子位可以纠缠在一起，这意味着多个量子位连接在一起，从而改变一个量子位的状态将立即改变与之纠缠的其他量子位的状态，即使这些其他量子位在物理上并不靠近原始量子比特。量子算法的基本目的是，它使用各种技术编排对量子位的操作，从而形成量子位的量子状态一个人正在以非常高的概率寻求答案。当最终测量计算结果时，量子位状态将坍缩成经典的 0 或 1 状态，不再表现出叠加或纠缠。您将只能在结果中获得与计算中使用的量子比特数相同的经典比特数。正如费曼所预料的那样，利用纠缠和叠加的量子计算机可以解决量子化学和相关领域的问题，传统计算机无论投入多少时间、精力或资源都无法解决。但在量子科学领域之外，Shor 的因式分解算法为抽象数论中的问题提供了一个解决方案的示例，它恰好支持我们每天依赖的互联网安全系统。为什么量子计算这么难？处于叠加态的量子比特非常脆弱。如果有任何外部干扰，它们很容易崩溃到更简单的 0 或 1 状态。为了尽量减少这种情况，当前的量子计算机将尝试通过将量子比特置于真空中，将它们冷却至接近绝对零的温度，利用振动隔离平台来最大限度地减少运动，并安装磁屏蔽以将它们与杂散磁场和电磁场隔离开来尽可能地隔离量子比特。即使采取了所有这些特殊措施，对于今天的某些机器来说，处于叠加态的量子比特的寿命可能只有几微秒或几毫秒。为了比较， 只要功率是连续的，经典位就可以在数百万年内保持其选择的 0 或 1 状态，而不会错误地翻转到不同的状态。量子计算的大部分研究正在寻找实现更好量子比特质量的方法，以便计算可以用更少的时间进行更长时间错误。幸运的是，可以从许多嘈杂的物理量子位中制造出有效的无噪声或逻辑量子位。目前，这样做的最佳协议需要为每个创建的逻辑量子比特提供数千个物理量子比特。量子计算适合哪些应用？最明显的应用是将量子计算用于量子化学，包括材料设计、药物发现和化学反应。原因很简单：化学反应受量子力学原理控制，模拟它们的最佳方法是使用量子计算机对其进行建模。尽管经典计算机可以近似地模拟非常小的分子，但问题是随着分子中原子的数量和大小的增长，需要包含和跟踪的不同力的数量呈指数增长。因此，对于任何大小合理的分子，计算次数变得难以在合理的时间内完成；你将“碰撞”到超过恒星能量输出的数字，即原子的数量在宇宙中，或自大爆炸以来的秒数。因此，这不仅仅是等到传统技术改进的问题，这些解决方案需要打破传统。经典计算已经开发了一些算法来近似这些效果，但这些近似模型的预测不如科学家们的期望。其他重要应用包括优化、金融建模和量子机器学习。然而，经典计算在提高其解决这些问题的能力方面继续取得长足进步。尽管还为这些类型的问题开发解决方案也投入了大量工作，但聪明的研究生总是有机会开发一种新的经典技术来解决相同的问题。正在使用哪些技术来构建量子计算机？量子计算的一个令人着迷的方面是，有许多技术正在研究以创建量子比特和量子计算机。其中包括超导、退火、离子阱、光子学、量子点、拓扑量子比特、冷原子等技术。没有人真正知道这些技术中的哪一种会胜出并成为主导。事实上，根据具体的应用要求，一些不同的技术可能会变得普遍。其中一些技术利用半导体制造技术来利用现有的供应商工具和制造设施。其他人则利用光子学行业的技术来开发他们的计算机。尽管我们预计最近我们看到的快速进展将继续下去，但随着不同技术的投入使用并显示出优势并克服其他技术遇到的限制，我们预计发展不会遵循线性路径。量子计算机会完全取代当今的经典计算机吗？不会。量子计算机将始终更多地用作经典计算机的协处理器，而不是取代经典计算机的东西。虽然量子计算机最终可能会取代一些高性能的经典计算机，但有很多任务量子计算机并不适合，例如阅读电子邮件、使用运行网站、维护金融交易数据库、浏览互联网，计算银行余额，以及我们目前执行的大多数其他任务今天在电脑上。此外，我们在经典世界中认为理所当然的许多事情都没有量子等价物，例如用于长期存储的磁盘驱动器。此外，量子计算机的概率性质在某些应用中可能是一个问题，因为量子计算机的物理性质不是确定性的。我是否能够购买一台量子计算机并将其安装在我的办公室或家中，甚至可以像智能手机一样将它放在口袋里？我们很长一段时间都没有看到这种情况发生。如果真的发生这种情况，这项技术将需要数十年甚至数百年的时间前进到足以使这变得经济或可靠。除了处理高度机密数据并需要本地功能的某些组织之外，我们预计大多数对量子计算的访问将通过云产品进行。这是由于构建量子所需的大量成本计算机，由于维护、校准、备件和其他后勤问题，制造商倾向于将机器留在他们的设施中，并且希望量子计算机在物理上接近大型经典计算装置以支持混合经典/量子算法需要在两种类型的计算机上处理算法的不同部分。我们需要做什么才能看到有用的量子计算机？那些寻求建造量子计算机的人历来必须在专注于建造大型、容错、通用的量子计算机或投入资源建造更小的、嘈杂的量子计算机之间做出选择。在构建 NISQ（嘈杂的中等规模量子）机器方面取得了一些成功，但是还没有已知的 NISQ 应用程序优于在经典计算机上运行的那些。另一方面，功能性容错机器可以通过启用数十亿次门操作来解决实际问题，而不会被噪音和错误所淹没。如果量子计算机如此强大，它们会不会是耗电大户并且需要大量电力以及相关的环境影响？不，当您查看总功耗时，情况正好相反。由于量子计算的基本原理使其呈指数级扩展，它们将能够以当今超级计算机使用的一小部分功率来解决大问题。使用的超导、光子和其他技术与当今经典计算机中使用的晶体管相比，构建它们所需的功率要少得多。此外，量子计算机将有助于为许多其他对环境造成负面影响的事物提供解决方案。其中包括寻找一种有效的碳封存方法，最大限度地减少氮基肥料生产中的能源使用，优化城市交通流量，以最大限度地减少交通拥堵和汽车燃料浪费。 你预测量子计算机的时间表是什么？我们什么时候会看到它们普遍使用？实验性量子计算机现已上市，有些是公开的。这些量子计算机的主要目的是帮助最终用户学习和熟悉使用机器和量子算法。对量子计算机进行编程与对经典计算机进行编程有很大不同，不能简单地将当前在经典计算机上运行的算法移植到量子计算机上。许多组织已经开始研究如何将量子计算机应用于其组织当前面临的用例。他们开始开发 POC（概念验证）案例来展示他们如何使用这样的计算机。我们预计一些 POC 将在未来几年内增长，并在未来 2-5 年内进入生产使用。之后，更多的生产用途将逐渐上线，直到我们在 5 到 10 年的时间范围内看到所谓的常见用途。可以使用量子计算机来帮助找到当前冠状病毒情况的解决方案吗？尽管未来量子计算机将变得有用，可以帮助我们比以前更快地找到新的疫苗和药物，但我们不太可能使用量子计算机来解决当今的情况。量子计算技术仍处于早期阶段，许多科学家仍在学习如何最好地利用它。我们预计冠状病毒的情况将在未来 1-2 年内通过经典技术得到解决，我们认为这对于量子计算做出有意义的贡献来说有点太短了。但是，我们确实相信，冠状病毒的情况可以在未来几年用作案例研究，以帮助我们开发可以利用量子计算来帮助解决可能发生的下一次流行病的技术。我最近读到，谷歌开发了一台实现量子霸权的量子计算机。你能解释一下这是什么意思吗？谷歌已经证明成功完成了一项实验，用他们的量子计算机为一个非常具体的精心设计的问题找到解决方案，比在经典超级计算机上得出的解决方案要快得多。重要的是要请注意，选择的问题，称为随机量子电路基准，是专门为本实验选择的，但对我们可能在现实世界中看到的问题的适用性极小。有些人可能会称“量子霸权”一词用词不当，因为实现这一里程碑并不意味着量子计算机比经典计算机更好所有其他问题。尽管如此，这是一项重大成就，并帮助推动了谷歌的工程团队创造出更好的量子芯片。我听说量子计算机将能够破解我们在互联网上使用的加密。我的所有互联网安全都会面临风险吗？1995 年，一位名叫 Peter Shor 的研究人员开发了一种理论算法，可以分解一个大的半素数。该算法可能用于查找 Internet 上使用的公钥加密算法中使用的密钥，例如 RSA 或 Diffie-Hellman。幸运的是，这将需要包含数百万个量子比特的超大型量子计算机。目前，门级计算机有 53量子位，而量子退火计算机有 2,048 个量子位，这些太小且太不可靠，无法实现 Shor 或其他因式分解算法。然而，量子计算机的功能正在迅速增长，行业专家预计，至少需要 10 年时间，才能使用具有大量量子比特的量子计算机来运行该算法并破解我们今天拥有的公钥加密。十年的时间并不遥远。有人在做这件事吗？是的。人们正在采用两种不同的方法来开发解决方案。第一个是使用量子力学原理创建一个量子互联网，使用光子在两点之间进行通信，光子是构成光的基本量子粒子。通过利用基本量子力学对信息论的结果称为“不可克隆定理”，可以保证有人无法在没有检测到的情况下窃听量子互联网链接。这些网络被称为 QKD（量子密钥分发）网络，并且在美国、中国和欧洲已经有许多按照这一原则运行的网络。第二种方法是美国国家标准与技术研究院机构和其他机构正在研究的软件方法。它将使用不同的软件算法来加密不依赖于大半素数的数据。目前有几十种不同的算法正在考虑替代当前的算法集，研究人员正在进行深入研究，以选择那些不能被经典算法或经典算法破坏的算法。一台量子计算机，但对于日常使用仍然有效。尽管现在有几种强大的候选算法可用，但我们预计在未来 2-3 年内会公布最终推荐算法。所以我没什么好担心的，因为我们很快就会有替代技术，对吧？不完全是。首先，我们估计未来 10-20 年将需要升级或更换超过 200 亿台数字设备，以使用新形式的抗量子加密通信。这将需要巨大的努力，类似于 20 年前在计算行业发生的千年虫努力。我们确实建议组织现在开始为此进行规划，因为我们的数字通信基础设施的这种转换需要数年时间才能完成。此外，对于某些数据类型既具有高数据价值又具有高货架的数据生命特征，有一种攻击称为“现在收获，以后解密”。某些攻击者当前可能正在拦截加密的数据传输并将它们存储在硬盘驱动器上以备后用。尽管今天加密的数据可能没有任何价值，但在 10 或 20 年后，当攻击者可以访问强大的量子计算机时，它可能仍然会引起人们的兴趣。我们将在以后的博客文章中更详细地讨论这个问题。如果我们确实设法让摩尔定律在未来 20 年内继续存在，那么就不需要量子计算机，是吗？即使明天银河系中的所有硅都变成了一台普通的经典计算机，量子计算机也将能够解决一些完全遥不